Новый дизайн батареи может помочь облегчить интеграцию возобновляемых источников энергии в национальную электрическую сеть с меньшими затратами.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Energy Storage Materials, новый дизайн батареи может помочь облегчить интеграцию возобновляемых источников энергии в национальную электрическую сеть с меньшими затратами с использованием распространенных на Земле металлов. Исследовательская группа, возглавляемая Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) Министерства энергетики, продемонстрировала, что новая конструкция аккумуляторной батареи, построенной из недорогих металлов, натрия и алюминия, обеспечивает путь к более безопасной и масштабируемой стационарной системе хранения энергии.
«Мы показали, что эта новая конструкция батареи с расплавленной солью может заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем другие обычные высокотемпературные натриевые батареи, работать при более низкой температуре и поддерживать превосходную емкость накопления энергии», — сказал Гуошэн Ли, специалист по материалам PNNL и главный исследователь. «Мы получаем аналогичные характеристики с этой новой химией на основе натрия при температурах более чем на 100 ° C ниже, чем коммерчески доступные технологии высокотемпературных натриевых батарей, при использовании более распространенного на Земле материала».
Имре Гьюк, директор Управления электроэнергии Министерства энергетики США, программы накопления энергии, которая поддержала это исследование, отметил: «Эта аккумуляторная технология, созданная из недорогих отечественных материалов, приближает нас на один шаг к достижению целей нашей страны в области чистой энергии».
В новой батарее с расплавленной солью на основе натрия используются две различные реакции. Ранее команда сообщала о нейтральной реакции расплавленной соли. Новое открытие показывает, что эта нейтральная расплавленная соль может подвергаться дальнейшей реакции в кислую расплавленную соль. Важно отметить, что этот второй кислотный механизм реакции увеличивает емкость батареи. В частности, после 345 циклов заряда/разряда при высоком токе этот кислотный механизм реакции сохранил 82,8% пиковой зарядной емкости.
Энергия, которую батарея может отдать в процессе разрядки, называется ее удельной плотностью энергии, которая выражается как «ватт-час на килограмм» (Втч/кг). Несмотря на то, что батарея находится на ранней стадии тестирования, исследователи предполагают, что она может привести к практической плотности энергии до 100 Втч/кг. Для сравнения, плотность энергии литий-ионных аккумуляторов, используемых в коммерческой электронике и электромобилях, составляет около 170–250 Втч/кг. Однако новая конструкция натрий-алюминиевой батареи имеет то преимущество, что она недорогая и ее легко производить в Соединенных Штатах из гораздо более распространенных материалов.
«Мы ожидаем, что благодаря оптимизации удельная плотность энергии и жизненный цикл могут стать еще выше и длиннее», — добавил Ли.
Натриевая батарея
Действительно, ученые PNNL сотрудничали с коллегами из Nexceris, чтобы собрать и протестировать батарею. Nexceris в рамках своего нового направления Adena Power поставила PNNL свой запатентованный твердотельный электролит на основе натрия для проверки производительности батареи. Этот важный компонент батареи позволяет ионам натрия перемещаться от отрицательной (анодной) к положительной (катодной) стороне батареи по мере ее зарядки.
«Наша основная цель в отношении этой технологии — обеспечить недорогую ежедневную передачу солнечной энергии в электрическую сеть в течение периода от 10 до 24 часов», — сказал Винс Спренкл, эксперт по аккумуляторным технологиям PNNL, имеющий более 30 запатентованных конструкций для системы хранения энергии и связанных с ней технологий. «Это удачное место, где мы можем начать думать об интеграции более высоких уровней возобновляемых источников энергии в электрическую сеть, чтобы обеспечить истинную устойчивость сети за счет возобновляемых ресурсов, таких как энергия ветра и солнца».
Спренкл был частью команды, разработавшей новую гибкую конструкцию этой батареи, которая также изменила батарею с традиционной трубчатой формы на плоскую, масштабируемую, которую можно легче складывать и расширять по мере развития технологии от батарей размером с монету до более крупных демонстрационных размеров в масштабе сетки.
Что еще более важно, эта плоская конструкция элемента позволяет увеличить емкость элемента, просто используя более толстый катод, который исследователи использовали в этой работе, чтобы продемонстрировать элемент тройной емкости с устойчивым разрядом в течение 28,2 часов в лабораторных условиях.
Большинство современных аккумуляторных технологий, включая литий-ионные, хорошо подходят для кратковременного хранения энергии. Чтобы удовлетворить спрос на 10 с лишним часов хранения энергии, потребуется разработка новых, недорогих, безопасных и долговечных концепций аккумуляторов, выходящих за рамки современных аккумуляторных технологий. Это исследование представляет собой многообещающую демонстрацию лабораторного масштаба для достижения этой цели.
Устойчивость сети
Способность накапливать энергию, генерируемую возобновляемыми источниками энергии, и выдавать ее по запросу в электрическую сеть привела к быстрому прогрессу в технологии аккумуляторов, и многие новые конструкции конкурируют за внимание клиентов. Каждая новая вариация должна удовлетворять требованиям использования своей ниши. Некоторые батареи, например батареи с замораживанием-оттаиванием PNNL, способны накапливать энергию, вырабатываемую сезонно, в течение нескольких месяцев.
По сравнению с сезонной батареей эта новая конструкция особенно хорошо подходит для краткосрочного и среднесрочного хранения энергии в сети в течение от 12 до 24 часов. Это разновидность так называемой натрий-металлогалогенной батареи. Аналогичная конструкция, использующая никелевый катод как часть системы, доказала свою эффективность в промышленных масштабах и уже коммерчески доступна.
«Мы устранили потребность в никеле, относительно дефицитном и дорогом элементе, не жертвуя при этом производительностью батареи», — сказал Ли. «Еще одно преимущество использования алюминия по сравнению с никелем заключается в том, что алюминиевый катод заряжается быстрее, что имеет решающее значение для увеличения продолжительности разряда, продемонстрированной в этой работе».
Достигнув этого рубежа, команда сосредоточилась на дальнейших улучшениях, чтобы увеличить продолжительность разряда, что могло бы значительно повысить гибкость сети для большего включения возобновляемых источников энергии.
«А поскольку он работает при более низкой температуре, его можно производить из недорогих аккумуляторных материалов, вместо того, чтобы требовать более сложных и дорогих компонентов и процессов, как в обычных высокотемпературных натриевых аккумуляторах», — сказал Дэвид Рид, эксперт по аккумуляторам PNNL и соавтор исследования.
Больше аккумулирования энергии в сети при меньших затратах
По словам Спренкла, в 2023 году уровень техники для хранения энергии в сети с использованием литий-ионных аккумуляторов будет составлять около четырех часов. «Эта новая система может значительно увеличить объем хранимой энергии, если мы сможем достичь ожидаемых целевых показателей затрат на материалы и производство», — добавил он.
В рамках исследования исследователи подсчитали, что конструкция натрий-алюминиевой батареи на основе недорогого сырья может стоить всего 7,02 доллара за кВтч для активных материалов. Они прогнозируют, что за счет оптимизации и увеличения практической плотности энергии эти затраты могут быть снижены еще больше. Эта многообещающая недорогая технология хранения в масштабе сети может позволить прерывистым возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра и солнца, более динамично вносить свой вклад в национальную электрическую сеть.
Источник overclockers
